EP2388027A1 - Pump system with normal and special operation phase - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und der Mikromechanik mit Anwendungen auf dem medizinischen Sektor, insbesondere bei der Gestaltung von Pumpen kleiner Bauart zur Anwendung bei der Herzunterstützung in Blutkreislaufsystemen von Säugetieren.The invention is in the field of mechanical engineering and micromechanics with applications in the medical sector, in particular in the design of small-sized pumps for use in cardiac support in mammalian bloodstream systems.
Vielfältige Flüssigkeitspumpen kleiner Bauart sind bekannt geworden, die zur Herzunterstützung bei ungenügender Funktion speziell des menschlichen Herzens vorübergehend oder dauerhaft eingesetzt werden können. Derartige Pumpen können invasiv oder nichtinvasiv in den Blutkreislauf eingeschaltet werden.Diverse fluid pumps of a small design have become known which can be used temporarily or permanently for cardiac support in the event of insufficient function, especially of the human heart. Such pumps can be switched on invasively or non-invasively in the bloodstream.
Ein Beispiel ist dabei die Einführung einer derartigen Pumpe über ein Blutgefäß bis zu einer oder in eine Herzkammer über einen Herzkatheter, wobei die entsprechende Pumpe üblicherweise einen komprimierten Zustand für den Transport und einen potentiell expandierten Zustand für den Betrieb nach dem Transport aufweist.An example is the introduction of such a pump via a blood vessel to one or in a heart chamber via a cardiac catheter, the respective pump typically having a compressed state for transportation and a potentially expanded state for post-shipment operation.
Ein weiteres Beispiel ist eine implantierbare Blutpumpe, die über Kanülen an Blutgefäße und Herz angeschlossen wird und eine Unterstützung des Herzens, beispielsweise der linken Herzkammer, dauerhaft bewirken kann.Another example is an implantable blood pump that is connected to blood vessels and heart via cannulas and can permanently effect support for the heart, such as the left ventricle.
Oft handelt es sich bei derartigen Pumpen um Rotorpumpen, die einen antreibbaren Rotor mit Förderelementen zur axialen oder zentrifugalen Förderung des Bluts aufweisen. Verschleißfrei kann ein derartiger Rotor beispielsweise magnetisch gelagert sein, um lange Standzeiten zu erreichen.Often, such pumps are rotor pumps having a drivable rotor with delivery elements for axial or centrifugal delivery of the blood. Wear-free, such a rotor, for example, be magnetically stored to achieve long service life.
Ebenso wie im normalen Blutkreislauf des Menschen teilweise ungewollte Koagulationen des Blutes stattfinden, die sich bis zu Thrombosen entwickeln können, kann dies auch mit einer eingebrachten Pumpe nicht ausgeschlossen werden.Just as in the normal bloodstream of humans sometimes unwanted coagulations of the blood take place, which can develop up to thrombosis, this can not be ruled out even with a pump.
Die Erfindung setzt sich daher zum Ziel, derartige Koagulationseffekte des Bluts im Umfeld einer Pumpe zu vermeiden und/oder zu verringern.The invention is therefore based on the goal of avoiding and / or reducing such coagulation effects of the blood in the environment of a pump.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved with the features of the invention according to
Die Erfindung sieht dazu bei einem Pumpensystem eine Blutpumpe vor, die ein von Blut durchströmbares Gehäuse und einen Antrieb mit einem Förderelement aufweist sowie eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Blutpumpe, wobei die Steuerungseinrichtung die Pumpe abwechselnd im Förderbetrieb und in einem Sonderbetrieb betreibt, wobei im Sonderbetrieb wenigstens ein Antriebsparameter der Pumpe so weit geändert wird, dass an wenigstens einer Stelle entlang des Strömungswegs durch die Pumpe der Gesamtvolumenstrom wenigstens zeitweise umgekehrt wird.The invention provides for a pump system, a blood pump, which has a flow-through by blood housing and a drive with a conveying element and a control device for controlling the blood pump, wherein the control device operates the pump alternately in the conveying operation and in a special operation, wherein in the special operation at least one drive parameter of the pump is changed so that at least one point along the flow path through the pump, the total volume flow is at least temporarily reversed.
Üblicherweise ist eine derartige Blutpumpe mit einem rotatorischen Antrieb aufgebaut, beispielsweise als Axialpumpe mit einem Impeller/Propeller oder als Zentrifugalpumpe. Es sind aber auch andere Pumpenformen, beispielsweise für den pulsatilen Betrieb oder allgemein mit mechanischen Antriebselementen, in der Form von volumenveränderbaren Verdrängungselementen zur Förderung eines Fluids denkbar. Zudem sind alle anderen Prinzipien, darunter Membranpumpen oder auch Pumpen mit einem Antrieb mittels Einwirkung von elektrischen oder magnetischen Feldern zur Anwendung der Erfindung denkbar.Usually, such a blood pump is constructed with a rotary drive, for example as an axial pump with an impeller / propeller or as a centrifugal pump. But there are also other pump forms, for example, for pulsatile operation or generally with mechanical drive elements, in the form of volume variable displacement elements for conveying a fluid conceivable. In addition, all other principles, including diaphragm pumps or pumps with a drive by the action of electric or magnetic fields for the application of the invention are conceivable.
Für die Erfindung erweist es sich als vorteilhaft, dass von Zeit zu Zeit eine Sonderbetriebsphase zwischen Förderbetriebsphasen eingelegt wird, wobei die Sonderbetriebsphase eine Änderung wenigstens eines Antriebsparameters wenigstens in dem Maße vorsieht, dass wenigstens an einer Stelle entlang des Strömungsweges durch die Pumpe der Gesamtvolumenstrom wenigstens zeitweise umgekehrt wird.For the invention, it proves to be advantageous that from time to time a special operating phase between delivery operating phases is inserted, wherein the special operating phase provides a change in at least one drive parameter at least to the extent that at least at one point along the flow path through the pump, the total volume flow at least temporarily is reversed.
Als änderbarer Antriebsparameter kommen dabei bei Pumpen mit rotierenden Elementen vorzugsweise die Antriebs-/Rotationsdrehzahl in Frage.In the case of pumps with rotating elements, the drive / rotational speed may be considered as changeable drive parameters.
Die Erfindung ist beispielsweise auf Pumpen mit rotatorisch antreibbaren Förderelementen wie Propellern derart anwendbar, dass die Drehzahl verändert oder der Anstellwinkel eines Förderelements/Propellers geändert wird. Es kann auch der Expansionsgrad, beispielsweise Aufklappwinkel von Förderelementen geändert werden, wenn dies gezielt möglich ist. Bei Pumpen, die sich zur Förderung des Fluids eines volumenveränderlichen Elements bedienen, kann die Amplitude der Volumenänderung bzw. die Frequenz der Volumenänderung entsprechend verändert werden. Maßgebend für die Wirkung der Erfindung ist insbesondere, dass sich an vielen Stellen der Strömung, besonders dort wo Koagulationen stattfinden können, die Strömungsverhältnisse zumindest vorübergehend ändern oder sogar umkehren. Es sind in diesem Zusammenhang so genannte Totwassergebiete bekannt, in denen sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten vorherrschen und somit Koagulationen begünstigt sein können. Zudem können derartige Koagulationen auch an Strömungshindernissen generell begünstigt sein. Die Erfindung kann vorteilhaft durch die Änderung der Antriebsparameter gerade in solchen Bereichen Änderungen der Strömungsverhältnisse bewirken. Dabei wird sich üblicherweise der Gesamtvolumenstrom durch die Pumpe zeitweise umkehren. Unter der Voraussetzung einer inkompressiblen geförderten Flüssigkeit kann jedoch trotzdem der Gesamtvolumenstrom an verschiedenen Stellen entlang des Strömungswegs unterschiedlich sein, wenn kurzzeitige Gehäusevolumenänderungen in Betracht gezogen werden. Insbesondere bei Pumpengehäusen mit flexiblen Membranen können solche Gehäusevolumenänderungen bei Änderungen der Strömungsverhältnisse auftreten, wenn diese auch im Normalbetrieb von untergeordneter Bedeutung sind.The invention is, for example, on pumps with rotationally drivable conveying elements such as propellers applicable so that the speed is changed or the angle of attack of a conveying element / propeller is changed. It can also be the degree of expansion, such as flip angle of conveyor elements are changed, if this is specifically possible. In pumps that use to promote the fluid of a variable volume element, the amplitude of the volume change or the frequency of the volume change can be changed accordingly. Decisive for the effect of the invention is in particular that change at many points of the flow, especially where coagulation can take place, the flow conditions, at least temporarily or even reverse. In this context, so-called dead water areas are known in which very low flow velocities prevail and thus coagulations can be favored. In addition, such coagulations may also be generally favored at flow obstacles. The invention can advantageously bring about changes in the flow conditions by changing the drive parameters, especially in such areas. Usually, the total volume flow through the pump will temporarily reverse. Nevertheless, assuming incompressible delivered liquid, the total volume flow may be different at different locations along the flow path when short term housing volume changes are considered. In particular, in pump housings with flexible membranes such housing volume changes may occur with changes in the flow conditions, even if they are of minor importance in normal operation.
In der Aorta ist dies durch die physiologisch wirksame sogenannte Windkesselfunktion erreicht, die im normalen physiologischen Ablauf während der Höchstdruckphase der Systole durch ein Nachgeben der Gefäßwände eine Speicherung eines Blut-Teilvolumens bewirkt, das bei Absinken des Drucks durch das Zusammenziehen der Gefäßwände nachgetrieben wird. Dadurch wird die Blutströmung vergleichmäßigt. Im vorliegenden Fall eines Sonderbetriebs kann der Effekt bis zu einem Rücktreiben des Blutes entgegen der Hauptströmungsrichtung führen.In the aorta, this is achieved by the physiologically effective so-called Windkessel function, which in normal physiological process during the maximum pressure phase of the systole caused by a yielding of the vessel walls, a storage of a partial blood volume, which is nachgieben with decrease in pressure by the contraction of the vessel walls. As a result, the blood flow is made uniform. In the present case of a special operation, the effect can lead to a repulsion of the blood against the main flow direction.
Zudem kann durch eine Sonderbetriebsphase eine Spülung des Ventrikels erreicht werden, und es kann eine gelegentliche Öffnung der Aortenklappe erfolgen.In addition, a purging of the ventricle can be achieved by a special operation phase, and there may be an occasional opening of the aortic valve.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Blutpumpe eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist, wobei eine Reduktion der Förderleistung der Pumpe während des Sonderbetriebs derart bemessen ist, dass an wenigstens einer Stelle zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung der Flächenmittelwert des Axialgeschwindigkeitsprofils gemittelt über den Strömungsquerschnitt wenigstens einmal vorübergehend sein Vorzeichen wechselt.An advantageous embodiment of the invention provides that the blood pump has an inlet opening and an outlet opening, wherein a reduction of the delivery rate of the pump during the special operation is dimensioned such that averaged over at least one point between the inlet opening and the outlet opening of the area average value of the axial velocity Flow cross section at least once temporarily changes its sign.
Dabei wird unter dem Axialgeschwindigkeitsprofil das Profil der Axialgeschwindigkeiten von infinitesimalen Volumenelementen über einen Querschnitt des Strömungsweges verstanden. Das Integral über diesen Strömungsquerschnitt bezüglich der Axialgeschwindigkeitsverteilung ergibt somit die Gesamtstromstärke. Ändert sich der Mittelwert des Axialgeschwindigkeitsprofils, so geht damit eine Änderung des Integrals und somit der Gesamtstromstärke des Flüssigkeitsstroms einher.Here, the axial velocity profile is understood as meaning the profile of the axial velocities of infinitesimal volume elements over a cross section of the flow path. The integral over this flow cross-section with respect to the axial velocity distribution thus gives the total current. If the mean value of the axial velocity profile changes, this is accompanied by a change in the integral and thus the total current intensity of the liquid flow.
Bereits Änderungen im Axialgeschwindigkeitsprofil können sich gemäß der Erfindung vorteilhaft auf die Verhinderung von Koagulationen auswirken, da dies die Verlagerung von Wirbeln innerhalb eines Strömungsquerschnitts bedeutet. Als besonders vorteilhaft hat sich jedoch die wenigstens zeitweise Umkehrung der Gesamtströmung an einem Punkt entlang des Strömungsweges herausgestellt.Already changes in the axial velocity profile can advantageously affect the prevention of coagulation according to the invention, since this means the displacement of vortices within a flow cross-section. However, the at least temporary reversal of the total flow at a point along the flow path has turned out to be particularly advantageous.
Dabei hat sich als besonders vorteilhaft für die Erfindung herausgestellt, wenn der Gesamtvolumenstrom an einer Einlassöffnung und/oder einer Auslassöffnung des Pumpengehäuses wenigstens einmal seine Richtung zeitweise umkehrt. Es kann dabei durchaus auch vorgesehen sein, dass der Gesamtvolumenstrom während eines Sonderbetriebs mehrmals eine dem Förderbetrieb entgegengesetzte Richtung und zwischendurch kurzzeitig eine dem Förderbetrieb entsprechende Richtung einnimmt. Dies erzeugt aufeinander folgende Richtungsänderungen der Strömung, wodurch ein nichtstationärer Strömungsverlauf mit chaotischer Wanderung der Verwirbelungen erreicht wird, so dass besonders wahrscheinlich sämtliche Volumina innerhalb des Pumpengehäuses mit wechselnden Strömungsbedingungen beaufschlagt werden können.It has proved to be particularly advantageous for the invention, when the total volume flow at an inlet opening and / or an outlet opening of the pump housing at least once reversed its direction temporarily. It may well also be provided that the total volume flow during a special operation several times a direction opposite to the conveying operation and temporarily takes a corresponding to the conveying operation direction. This produces successive changes in direction of the flow, whereby a non-stationary flow with chaotic migration of the turbulence is achieved, so that most likely all volumes within the pump housing can be acted upon by changing flow conditions.
Besonders vorteilhaft ist, wenn während eines Sonderbetriebs an mehreren Stellen, insbesondere an allen Stellen des Strömungswegs durch die Pumpe der Gesamtvolumenstrom wenigstens einmal zeitweise umgekehrt ist.It is particularly advantageous if, during a special operation at several points, in particular at all points of the flow path through the pump, the total volume flow is at least once reversed.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Zeitintegral des Förderstroms über eine gesamte Sonderbetriebsphase negativ ist.It has also proved to be advantageous if the time integral of the delivery flow over a whole special operating phase is negative.
Dies bedeutet, dass die Pumpe tatsächlich zeitweise ein gewisses Volumen von der Auslassöffnung zur Einlassöffnung befördert, das erst nach Wiederaufnahme des Förderbetriebs durch die Pumpe hindurch bewegt wird.This means that in fact the pump temporarily carries a certain volume from the outlet opening to the inlet opening, which is moved through the pump only after resumption of the conveying operation.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Pumpensystem mit einer Blutpumpe, die ein von Blut durchströmbares Gehäuse und einen Antrieb mit einem Förderelement aufweist sowie mit einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Blutpumpe. Zudem sieht die Erfindung vor, dass das Förderelement der Pumpe als Rotor ausgebildet ist und dass in der Steuerungseinrichtung wenigstens ein erstes Drehzahlniveau des Rotors für den Förderbetrieb und wenigstens ein Sonderbetriebsdrehzahlniveau für einen Sonderbetrieb vorgesehen ist, wobei das wenigstens eine Sonderbetriebsdrehzahlniveau eine niedrigere Drehzahl des Rotors vorsieht als der Förderbetrieb.The invention further relates to a pump system with a blood pump, which has a housing through which blood can flow and a drive with a delivery element, and with a control device for controlling the blood pump. In addition, the invention provides that the conveying element of the pump is designed as a rotor and that in the control device at least a first speed level of the rotor for the conveying operation and at least one Sonderbetriebsdrehzahlniveau is provided for a special operation, said at least one Sonderbetriebsdrehzahlniveau provides a lower speed of the rotor as the conveyor operation.
Vorteilhaft ist im Sonderbetrieb die Sonderbetriebsdrehzahl so weit abgesenkt, dass die oben beschriebene Umkehr des Gesamtvolumenstroms wenigstens zeitweise und wenigstens an bestimmten Stellen des Strömungsweges erreicht wird.Advantageously, in special operation, the special operating speed is lowered so far that the above-described reversal of the total volume flow is achieved at least temporarily and at least at certain points of the flow path.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass über eine Zeitspanne während einer Sonderbetriebsphase ein konstantes Sonderbetriebsdrehzahlniveau, insbesondere das niedrigste Sonderbetriebsdrehzahlniveau, vorgesehen ist.It can also be provided that a constant special operating speed level, in particular the lowest special operating speed level, is provided over a period of time during a special operating phase.
In diesem Fall kann die Drehzahl zu Beginn des Sonderbetriebs über eine lineare Rampe verringert, dann auf ein Sonderbetriebsrehzahlniveau konstant gehalten und danach über eine weitere Rampe wieder bis zum Förderbetrieb gesteuert werden.In this case, the speed can be reduced at the beginning of the special operation via a linear ramp, then constant to a special operating speed level held and then controlled by another ramp again to the conveyor mode.
Es ist auch eine sägezahnförmige Verlaufssteuerung der Drehzahl möglich, so dass die minimale Drehzahl im Sonderbetrieb nur für einen Augenblick erreicht wird.It is also a sawtooth waveform control of the speed possible, so that the minimum speed is achieved in special operation only for a moment.
Die Erfindung kann sich zudem auf ein Pumpensystem mit einer Blutpumpe beziehen, die ein von Blut durchströmbares Gehäuse und einen Antrieb mit einem Förderelement aufweist sowie eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Blutpumpe, wobei das Förderelement der Pumpe als Rotor ausgebildet ist, wobei vorgesehen ist, dass die Steuerungseinrichtung ein erstes Drehzahlniveau des Rotors für den Förderbetrieb und wenigstens ein Sonderbetriebsdrehzahlniveau für einen Sonderbetrieb vorsieht, und wobei die Drehzahl während eines Sonderbetriebs wenigstens zeitweise wenigstens 2000 U/min, insbesondere 2500 U/min, weiter insbesondere 3000 U/min oder 4000 U/min unterhalb der Drehzahl im Normalbetrieb liegt.The invention may also relate to a pump system with a blood pump having a blood-flowable housing and a drive with a conveying element and a control device for controlling the blood pump, wherein the conveying element of the pump is designed as a rotor, wherein it is provided that the Control device provides a first speed level of the rotor for the conveying operation and at least one special operating speed level for a special operation, and wherein the speed during a special operation at least temporarily at least 2000 U / min, in particular 2500 U / min, more particularly 3000 U / min or 4000 U / min below the speed in normal operation.
Bei üblichen Drehzahlen von Blutpumpen mit Rotoren, die beispielsweise bei 7500 U/min oder auch bei 10000 U/min liegen können, wird mit den genannten Maßnahmen der Drehzahlverminderung bereits in vielen Fällen eine Umkehr der Förderrichtung des Blutes im Sonderbetrieb erreicht.At usual speeds of blood pumps with rotors, which may be, for example, at 7500 rpm or even at 10,000 rpm, the reversal of the direction of flow of the blood in special operation is already achieved in many cases with the measures of the speed reduction.
Die Erfindung bezieht sich außer auf ein Pumpensystem der oben beschriebenen Art auch auf ein Verfahren zum Betrieb einer Blutpumpe, die in den Blutkreislauf eines Patienten eingeführt ist, wobei die Pumpe abwechselnd im Förderbetrieb und im Sonderbetrieb angesteuert wird, wobei der Sonderbetrieb wenigstens zeitweise eine Umkehrung des Gesamtvolumenstroms an wenigstens einer Stelle entlang des Strömungsweges zwischen einer Einlassöffnung der Pumpe und der nächsten Querschnittsverengung des Strömungsweges hinter der Auslassöffnung der Pumpe insbesondere zwischen der Einlassöffnung der Pumpe und der Auslassöffnung der Pumpe bewirkt.The invention relates except to a pump system of the type described above also to a method for operating a blood pump, which is introduced into the bloodstream of a patient, wherein the pump is driven alternately in the conveying mode and in the special mode, the special operation at least temporarily causing a reversal of the total volume flow at at least one point along the flow path between an inlet port of the pump and the next cross-sectional constriction of the flow path behind the outlet port of the pump, in particular between the inlet port of the pump and the outlet port of the pump.
Entsprechende Sonderbetriebsphasen können vorteilhaft zwischen 0,5 Sekunden und 1,5 Sekunden lang sein und beispielsweise wenigstens zweimal pro Minute, einmal pro Minute oder nur alle fünf bis zehn Minuten zwischen den Förderbetriebsphasen eingeschoben werden.Corresponding special operating phases can advantageously be between 0.5 seconds and 1.5 seconds long and, for example, inserted at least twice per minute, once per minute or only every five to ten minutes between the conveying operating phases.
Gemäß des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens kann zudem vorgesehen sein, dass während einer Sonderbetriebsphase die Drehzahl der Pumpe bis zu einer Sonderbetriebsdrehzahl abgesenkt und danach wieder angehoben wird.According to the operating method according to the invention can also be provided that during a special operating phase, the speed of the pump is lowered to a special operating speed and then raised again.
Zur Erreichung des gewünschten Effekts auf die Strömung können auch andere Parameter der Pumpe, wie ein Anstellwinkel von Förderschaufeln/Rotorblättern, geändert werden. Wird gleichzeitig die Strömungsrichtung und/oder der Druck an geeigneten Stellen des Strömungsweges erfasst, so kann ein entsprechender Parameter auch geregelt werden. Üblicherweise genügt jedoch eine Steuerung, besonders einfach eine Steuerung der Drehzahl.To achieve the desired effect on the flow, other parameters of the pump, such as an angle of attack of impeller / rotor blades, may also be changed. If at the same time the flow direction and / or the pressure is detected at suitable points of the flow path, a corresponding parameter can also be regulated. Usually, however, sufficient control, particularly easy control of the speed.
Dazu kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das wenigstens ein Sonderbetriebsdrehzahlniveau um wenigstens 25%, insbesondere 40%, weiter insbesondere 50% oder 60%, oder um wenigstens 2000 U/min oder 3000 U/Min unterhalb der Drehzahl des Förderbetriebs liegt. Dabei können vorteilhaft 0,1 bis 2 Sonderbetriebsphasen, insbesondere zwischen 1 und 2 Sonderbetriebsphasen, pro Minute eingelegt werden.For this purpose, it may be provided according to the invention that the at least one special operating speed level is at least 25%, in particular 40%, more particularly 50% or 60%, or at least 2000 rpm or 3000 rpm below the rotational speed of the conveying operation lies. In this case, advantageously 0.1 to 2 special operating phases, in particular between 1 and 2 special operating phases, can be inserted per minute.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend beschrieben.In the following the invention will be shown with reference to an embodiment in a drawing and described below.
- Fig. 1Fig. 1
- eine schematische Übersicht über eine Blutpumpe, die mittels eines Katheters in eine Herzkammer wenigstens teilweise eingeführt ist,a schematic overview of a blood pump that is at least partially inserted into a heart chamber by means of a catheter,
- Fig. 2Fig. 2
- eine schematische Übersicht über eine Steuerungseinrichtung sowie ein Diagramm, das den Betrieb einer Pumpe beschreibt,a schematic overview of a control device and a diagram that describes the operation of a pump,
- Fig. 3Fig. 3
- schematisch den Aufbau einer Pumpe in dreidimensionaler Ansicht,schematically the structure of a pump in three-dimensional view,
- Fig. 4Fig. 4
- schematisch den Aufbau einer Rotationspumpe als Zentrifugalpumpe in dreidimensionaler Ansicht,schematically the construction of a rotary pump as a centrifugal pump in three-dimensional view,
- Fig. 5Fig. 5
- schematisch den Aufbau einer Pumpe, die mit einem steuerbaren Verdrängungselement arbeitet,schematically shows the structure of a pump that works with a controllable displacement element,
- Fig. 6Fig. 6
-
eine Pumpe in dreidimensionaler Ansicht, die, wie eine Pumpe aus
Fig. 5 mit einem volumenveränderlichen Expansionselement arbeitet,a pump in three-dimensional view that looks like a pumpFig. 5 works with a volume-variable expansion element, - Fig. 7Fig. 7
- schematisch den Strömungsverlauf in einem Pumpengehäuse,schematically the flow path in a pump housing,
- Fig. 8Fig. 8
- schematisch den Zeitverlauf der Drehzahl einer Pumpe bzw. eines Pumpenrotors,schematically the time course of the speed of a pump or a pump rotor,
- Fig. 9Fig. 9
- schematisch eine Ansicht eines Pumpengehäuses mit einem Rotor und der entsprechenden Fluidströmung,3 is a schematic view of a pump housing with a rotor and the corresponding fluid flow;
- Fig. 10Fig. 10
- eine weitere schematische Ansicht der Strömung durch ein Pumpengehäuse,another schematic view of the flow through a pump housing,
- Fig. 11Fig. 11
- in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Drehzahl einer Pumpe,in a diagram the time course of the speed of a pump,
- Fig. 12Fig. 12
- eine weitere Verlaufsform der Pumpendrehzahl in einem Diagramm.Another form of the pump speed in a diagram.
Der Katheter 4 reicht bis fast in das Ventrikel 2 hinein, wobei am Ende des Katheters eine Blutpumpe 5 angeordnet ist, die teilweise in das Ventrikel hineinragt.The
Die Blutpumpe 5 ist in der Lage, über eine Ansaugöffnung 6 Blut anzusaugen und dieses über Ausströmöffnungen innerhalb des Blutgefäßes 1 wieder auszustoßen und somit die Herzfunktion wenigstens zu unterstützen oder teilweise zu ersetzen.The
Die Pumpe 5 weist in ihrem Inneren innerhalb eines Gehäuses einen Rotor 7 auf, der mittels einer antreibbaren Welle 8 rotatorisch in einem Drehzahlbereich von beispielsweise 7000 bis 10000 U/min antreibbar ist. Die Welle 8 ragt dabei proximal aus dem Katheter 4 heraus und ist mit einem Antriebsmotor 9 verbunden.The
Der Antriebsmotor 9 ist mittels einer Steuerungseinrichtung 10 ansteuerbar oder regelbar. Dabei können beispielsweise bestimmte Drehzahlen oder zeitabhängige Drehzahlverläufe vorgegeben sein.The
Die Steuereinrichtung 10 kann optional mit einem oder mehreren Drucksensoren 11, 12 verbunden sein, die beispielsweise in dem Blutgefäß 1, dem Pumpengehäuse oder dem Ventrikel 2 positioniert werden können, um dort den aktuellen Druck zu messen. Diese Druckmessung kann als Eingangsgröße beispielsweise für eine Regelung innerhalb der Steuerungseinrichtung 10 verwendet werden. Es ist jedoch im Normalfall eine reine Steuerung der Pumpendrehzahlen ausreichend. Eine Messung der Geschwindigkeitsverteilung des Blutstroms kann auch über eine Doppler-Spektroskopieeinrichtung erfolgen, deren Analyseergebnisse ebenfalls als Eingangsgrößen für eine Regelung dienen können.The
Die Steuerungseinrichtung weist zudem einen Funktionsteil 17 auf, der mittels einer Zeitsteuerung unter Verwendung der gespeicherten Daten die jeweils aktuelle Zieldrehzahl an den Motor 9 ausgibt.The control device also has a
Die Nabe trägt dabei wenigstens ein Förderelement 19 in Form eines Propellers bzw. einer helixartigen Struktur, die bei Rotation einen Axialschub auf eine Flüssigkeit, dargestellt durch Strömungspfeile 20, 21 erzeugt. Die angesaugte Flüssigkeit wird über Ausströmöffnungen hinter der Pumpe ausgestoßen, was durch die Strömungspfeile 22, 23 angedeutet ist.The hub carries at least one conveying
Die Pumpe 5 ist am Ende eines Katheters 1 an diesem befestigt.The
Schematisch sind Herzklappen 24, 25 angedeutet, die zur Abdichtung der Pumpe beim Durchgang/Übergang zwischen dem Blutgefäß 1 und dem Ventrikel 2 dienen.
Die
Auch eine solche Pumpe ist üblicherweise am Ende eines Katheters 1 angeordnet. Ihre Drehzahl kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenso wie die der Pumpe aus
Wird das Kissen komprimiert, so wird über die Eingangsöffnung durch entsprechendes Klappen des Einwegventils 33 Flüssigkeit in den Pumpeninnenraum 34 angesaugt. Das Ventil 33 ist ein Einwegventil, das das Herausströmen von Flüssigkeit aus dem Pumpeninnenraum verhindert. Dagegen ist das Auslassventil 35 als Einwegventil nur für den Auslass einer Flüssigkeit aus dem Pumpeninnenraum 34 konzipiert. Daher sperrt bei einer erneuten Expansion des Kissens 32 das Einlassventil 33 und die verdrängte Flüssigkeit kann aus dem Pumpeninnenraum 34 durch das Auslassventil 35 ausgelassen werden. Eine derartige Pumpe erlaubt einen pulsatilen Betrieb mit einem periodisch schwankenden Förderstrom.If the pad is compressed, liquid is sucked into the
In der
Im komprimierten Zustand des Kissens 36 ist die Öffnung, wie anhand der gestrichelten Linie 38 dargestellt, stark vergrößert, so dass in dem Pumpeninnenraum 34 Flüssigkeit angesaugt wird. Die Funktion des Einlass- und Auslassventils an den Enden des Pumpeninnenraums 34 ist identisch zu der Darstellung in
Aus der Beschreibung der
Die
Zum Zeitpunkt 0 ist dabei die Drehzahl υ1 des normalen Förderbetriebs, typischerweise 7500 U, angenommen, die bis zum Zeitpunkt t1 konstant gehalten wird. Zwischen dem Zeitpunkt t1 und t2 fällt die Drehzahl im Laufe der Zeit linear von υ1 auf υ2 ab, um dann zwischen t2 und t3 auf der Drehzahl υ2 konstant gehalten zu werden. υ2 stellt damit die minimale Sonderbetriebsdrehzahl dar.At
Eine solche Drehzahl kann beispielsweise bei 3000 oder 3500 U/min liegen.Such a speed may, for example, be 3000 or 3500 rpm.
Nach dem Zeitpunkt t3 wird die Drehzahl über eine lineare Rampe zwischen t3 und t4 wieder auf die Förderbetriebsdrehzahl υ1 gesteigert. Danach kann der Förderbetrieb beispielsweise für eine halbe Minute oder eine Minute konstanter Drehzahl weitergefahren werden, bevor die nächste Sonderbetriebsphase erreicht wird.After the time t 3 , the rotational speed is increased again to the delivery operating speed υ 1 via a linear ramp between t 3 and t 4 . Thereafter, the conveying operation, for example, for half a minute or continue for one minute of constant speed before the next special operating phase is reached.
Die
Zudem ist schematisch ein Stützrad 49 mit Speichen auf einer axialen Position 50 sowie ein Stützrad 51 auf einer axialen Position 52 dargestellt. Die Stützräder 49, 51 dienen dazu, die Gehäusemembran des Gehäuses 7, die grundsätzlich biegeschlaff sein kann, zu stützen und entsprechende axiale Einlassöffnungen sowie Auslassöffnungen des Gehäuses offen zu halten.In addition, a
Die Strömung, die bei dem ersten Stützrad 49 in das Pumpengehäuse 7 eintritt, kann an verschiedenen Stellen entlang des Strömungsweges Wirbel ausbilden, wie dies an dem Wirbel 53 beispielhaft gezeigt ist, der an dem ersten Stützrad 49 im Bereich einer Speiche entsteht.The flow entering the
Wirbel können zudem an den Propellerpaaren entstehen, die in den axialen Höhen 46, 47, 48 entlang des Pumpengehäuses positioniert sind. Letztlich können Wirbel auch an dem zweiten Stützrad 51, beispielsweise im Bereich von dessen Speichen, entstehen. Grundsätzlich können Wirbel selbstverständlich auch im Bereich der Gehäusewand des Pumpengehäuses und der Nabe 45 entstehen.Vortexes can also arise on the propeller pairs, which are positioned in the
Es ist evident, dass durch eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Pumpe die Verwirbelungen in ihrem Ausmaß geändert werden und in ihrer räumlichen Verteilung wandern können.It is evident that by changing the flow velocity within the pump, the turbulences can be changed in their extent and can migrate in their spatial distribution.
Somit ist es durch die Erfindung möglich, Strömungsverhältnisse derart zu ändern, dass die Koagulation von Blut durch zeitweilige Durchströmung von sonst schwach durchströmten Gebieten verhindert oder verlangsamt wird.Thus, it is possible by the invention to change flow conditions such that the coagulation of blood is prevented or slowed by temporary flow through otherwise weakly flowed areas.
Hierzu kann es ausreichen, an einem der Punkte entlang des Strömungsweges, also an den Stellen 46, 47, 48, 50, 52, eine signifikante Änderung der Strömungsverteilung bzw. eine Umkehr der Summenströmung zu erreichen; es kann jedoch auch sinnvoll sein, dies an mehreren Stellen entlang der Strömung gleichzeitig oder entlang des gesamten Strömungsweges zu bewirken. Dieser Zustand einer Strömungsumkehr kann kurzfristig erreicht werden, um danach wieder die im Förderbetrieb übliche Förderrichtung anzunehmen; während einer Sonderbetriebsphase kann ein solcher Wechsel der Strömungsrichtung auch mehrfach vorgesehen sein.For this purpose it may be sufficient to achieve a significant change in the flow distribution or a reversal of the total flow at one of the points along the flow path, that is, at the
Es ist jedoch auch denkbar, während einer Phase des Sonderbetriebs für eine Zeitlang die umgekehrte Strömungsrichtung aufrechtzuerhalten und damit eine Nettoförderung eines Fluidvolumens entgegen der üblichen Förderrichtung zu erzeugen.However, it is also conceivable to maintain during a phase of the special operation for a while the reverse flow direction and thus to produce a net promotion of a fluid volume in the opposite direction of the usual conveying direction.
Dies geschieht in Folge einer gesunkenen Förderleistung bzw. Drehzahl der Pumpe und der äußeren Druckbedingungen außerhalb der Pumpe, die der Strömungsrichtung während des normalen Förderbetriebs als Widerstand/Gegendruck entgegenwirken. Die sogenannte Windkesselfunktion der Aorta bewirkt durch die Elastizität der Gefäßwände, die im Bereich des höchsten Drucks nachgeben, eine Speicherung eines Blut-Teilvolumens und bei Absenken des Drucks ein Nach- bzw. Zurückpumpen. Der Überdruck am Pumpenauslass kann damit eine Rückströmung durch eine Druckdifferenz zum Pumpeneinlass bewirken. Diese Verhältnisse sind beim Einsatz in einem Herzen auch von der Phase des Herzschlages abhängig, so dass die Einleitung einer Sonderbetriebsphase auch auf den Herzschlag abgestimmt werden kann. Insbesondere kann die Sonderbetriebsphase derart gesteuert werden, dass zeitweilig kein Blut aus dem Herzventrikel angesaugt wird und dieses sich vollständig füllen kann.This is due to a reduced flow rate or speed of the pump and the external pressure conditions outside the pump, which counteract the flow direction during the normal delivery operation as a resistance / back pressure. The so-called Windkessel function of the aorta caused by the Elasticity of the vessel walls, which give in the region of highest pressure, a storage of a partial blood volume and when lowering the pressure, a back and forth pumping. The overpressure at the pump outlet can thus cause a backflow through a pressure difference to the pump inlet. These conditions are also dependent on the phase of the heartbeat when used in a heart, so that the initiation of a special operation phase can also be tailored to the heartbeat. In particular, the special operating phase can be controlled such that temporarily no blood is sucked out of the heart ventricle and this can be completely filled.
Auch eine Rückströmung aus dem Blutgefäß in das Herzventrikel kann vorteilhaft sein, um den erfindungsgemäßen Effekt zu erreichen.Also, a return flow from the blood vessel into the heart ventricle may be advantageous in order to achieve the effect according to the invention.
Das Herzventrikel kann durch eine Sonderbetriebsphase ebenfalls gespült und eine gelegentliche Öffnung der Aortenklappe erreicht werden.The heart ventricle can also be flushed through a special operating phase and an occasional opening of the aortic valve can be achieved.
Die
Die
Der erste Verlauf, mit 56 bezeichnet, stellt einen sägezahnförmigen Drehzahlverlauf dar, in dessen Rahmen, beginnend zu einem Zeitpunkt t1, die Drehzahl υ von einer Förderbetriebsdrehzahl linear auf eine minimale Sonderbetriebsdrehzahl υ2 abgesenkt und nach Erreichen dieser Sonderbetriebsdrehzahl υ2 augenblicklich linear wieder bis zum Erreichen der Förderbetriebsdrehzahl gesteigert wird.The first course, denoted by 56, represents a sawtooth-shaped speed curve, within the scope of which, starting at a time t 1 , the speed υ is linearly reduced from a delivery operating speed to a minimum special operating speed υ 2 and immediately linear after reaching this special operating speed υ 2 is increased to reach the Förderbetriebsdrehzahl.
In dem Bereich 57 ist ein abgerundeter Verlauf der Drehzahl mit einer vorübergehenden Absenkung auf υ2 dargestellt.In the
Das Diagramm aus
Insgesamt erlaubt das erfindungsgemäße Pumpensystem und der Betrieb eines derartigen Systems gemäß der Erfindung eine Änderung der Strömungsbedingungen, die, von Zeit zu Zeit, insbesondere periodisch, wiederholt, auf Dauer die Ausbildung von Blutkoagulationen verhindert oder wenigstens verlangsamt.Overall, the pump system according to the invention and the operation of such a system according to the invention allows a change in the flow conditions, which, from time to time, in particular periodically, repeatedly, permanently prevents or at least slows down the formation of blood coagulation.
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